eRapport

New ultrasound flow modalities for evaluation of congenital heart defects

Prosjekt
Prosjektnummer
46085600
Ansvarlig person
Siri Ann Nyrnes
Institusjon
NTNU, ISB
Prosjektkategori
Forskerstipend FFU
Helsekategori
Cardiovascular, Congenital Disorders
Forskningsaktivitet
4. Detection and Diagnosis
Rapporter
2019 - sluttrapport
Recent advances in ultrasound technologies allow the study of cardiac fluid dynamics with higher temporal resolution than ever before. A combination of high frame rate echocardiography (HFRE), obtained by plane-wave imaging, with blood speckle tracking (BST) allows quantification of blood speckle velocities ultimately enabling a direct quantification and visualization of blood flow vorticity, energy loss and intraventricular pressure gradients. The ultrasound group in Trondheim, Norway, has developed a high frame rate echocardiography technique that allows a new approach to blood flow and myocardial function assessment. Two main applications for HFRE are being developed and tested for clinical use in pediatric cardiology: Blood speckle Tracking and mechanical wave imaging (MWI). In this project, we focused mainly on method development, validation and clinical feasibility studies with these techniques. We have during the project period included more than 350 children, performed 30 fetal scans, and 50 animal studies. The method paper describing the feasibility, accuracy and potential clinical applications of BST in pediatric cardiology was just published (Jan 24, 2020). A second paper investigating right ventricular flow dynamics in dilated right ventricles in children is submitted. In this paper vi have investigated and validated energy loss estimation based on BST in volume loaded right ventricles compared to healthy subjects. A new study where we are investigating left ventricular pressure gradients is ongoing, and the first abstract from this data was just submitted. Analysis, validation and feasibility testing of mechanical wave imaging in fetal and animal HFRUS are ongoing, but in an earlier phase. As no good echocardiographic techniques are currently available for the assessment of diastolic function in children, we will utilize a combination inflow hemodynamics assessed by BST with tissue characterization techniques based on MWI to overcome the current limitations. This will be important in our further work, still in collaboration with SickKids Hospital, Toronto, Canada. In September 2019 we sent a first application in a new international pediatric imaging network with focus on HFRUS in the assessment of diastolic function in children. We passed the first evaluation and were invited to send a full application for Foundation Leducq with application deadline February 14th, 2020. Our research was important for the implementation of the qualitative blood speckle imaging technique in clinical available scanners (Vivid E 95, GE Vingmed Ultrasound). The technique “Blood speckle imaging” is based on our research and was launched in 2018. Blood speckle imaging is now available worldwide and implemented in the health care services. However, there is strong need for further development and commercialization of important analysis tools to extract quantitative flow measures. We have today developed an in-house analysis software called PyUSview, which will be further developed and hopefully offered to the international healthcare service soon. This project will continue the next years in the new IN-YOUNG project also founded by samarbeidsorganet. High framerate echocardiography (HFRE) allows a new approach to blood flow and myocardial function assessment, which is ideal for children where the hearts are smaller, depths are limited, and the heartrates are high. Since this technology profits from imaging at shallow depths, the pediatric age group is ideal for the initial trials. In fact, the limitation in penetration depth, gives pediatric imaging an advantage, which has made it possible to develop and offer this diagnostic advance for children first, and not lastly, as for many new medical advances. However, the technique is now also being tested in the adult population. Children with heart disease are very different from adults, and echocardiographic quantitative assessment of cardiac function in children with congenital heart disease is often difficult, sometimes even impossible. The recent development of HFRUS offers novel diagnostic opportunities for resolving these diagnostic challenges. The unique option to measure cardiac blood flow and wall stiffness simultaneously has not been possible previously. This option is highly required by clinicians, and can lead to improved diagnostics and pathophysiologic understanding, which has major impact of the health care of children with cardiac disease. This new diagnostic tool may contribute to generate new markers for prognostic evaluations, which may be of great importance for the patients and their families. The technique “Blood speckle imaging” is based on our research and was launched in 2018. The ultrasound group in department of circulation and medical imaging have a close collaboration with GE Vingmed Ultrasound, to bring new inventions out to the patients as soon as possible. The blood speckle imaging technique is now available bedside in commercially available ultrasound scanners all over the world.
2018
Newer ultrasound beam forming techniques have recently been introduced which utilize the concept of plane wave imaging, which allows ultrasound imaging at very high frame rates. This technology is particularly appealing to pediatric echocardiography, as children have higher heart rates compared to adults requiring much higher temporal resolution.Based on plane wave imaging, the ultrasound group in Trondheim, Norway, has developed a high frame rate ultrasound (HFRUS) technique. This method allows a new approach to blood flow and myocardial function assessment. Two main applications for HFRUS are being developed and tested for clinical use in pediatric cardiology: Blood speckle Tracking (BST) and mechanical wave imaging (MWI). In this project, we continue method development, validation and clinical feasibility studies with this techniques. We have so far included more than 200 children, performed 30 fetal scans, and 50 animal studies. We are now in a phase were we analyze our data, and write publications. The Blood Speckle Tracking (BST) method paper is now being revised after peer review. A paper on validation and clinical feasibility of the Energy loss parameter based on BST is soon ready for submission. Analysis on validation and feasibility of mechanical wave imaging in fetal and animal HFRUS are now ongoing. Our research was important for the implementation of the qualitative blood speckle imaging technique in a clinical scanner (2017). However, there is strong need for further development of quantitative flow measures and analysis tools, and we plan to extend and start new studies in 2019. As no good echocardiographic techniques are currently available for the assessment of diastolic function in children, we will utilize a combination inflow hemodynamics assessed by BST with tissue characterization techniques based on MWI to overcome the current limitations. This will be important in our further work, still in collaboration with SickKids Hospital, Toronto, Canada. In December 2018 we had a kick-off-meeting in a new international Pediatric imaging network with focus on HFRUS in the assessment of diastolic function in children. Our aim is to draft a proposal for Fondation Leducq in September 2019. Invited talks related to this project in 2018: Nyrnes, Siri Ann; Fadnes, Solveig; Salles, Sebastien; Løvstakken, Lasse. High Frame Rate Imaging. 29th Annual ASE Scientific Sessions; 2018-06-22 - 2018-06-26 Mawad, Wadi; Nyrnes, Siri Ann; Fadnes, Solveig; Grønli, Thomas; Mertens, Luc; Løvstakken, Lasse. Cardiac flow dynamics by echocardiography: current and future perspectives. 29th Annual ASE Scientific Sessions; 2018-06-22 - 2018-06-26 Abstracts related to this project in 2018: Fadnes, Solveig; Salles, Sebastien; Tegnander, Eva; Nyrnes, Siri Ann; Løvstakken, Lasse. In vivo estimation of myocardial mechanical wave propagation in the fetus. IEEE International Ultrasonics Symposium; 2018-10-22 - 2018-10-25 Sælensminde, Magnus; Grønli, Thomas; Segers, Patrick; Nyrnes, Siri Ann; Løvstakken, Lasse. Intraventricular blood velocity measurements - a comparison between iVFM and blood speckle tracking. IEEE International Ultrasonics Symposium; 2018-10-22 - 2018-10-25
2017
Detailed flow visualization and tissue characterization is important for diagnostics and follow up in congenital heart disease, and for studying the developing heart during fetal life. The recent development for high framerate ultrasound imaging (HFRUS) offers novel diagnostic opportunities and is now technically feasible.High framerate ultrasound imaging allows a new approach to blood flow and myocardial function assessment, which is ideal for children where the hearts are smaller, depths are limited and the heartrates are high. Our group has collaborated with SickKids hospital in Toronto (Professor Luc Mertens)the last few years on the clinical validation and application of Blood Speckle Tracking (BST) in pediatric heart disease. The first results from this collaboration were presented at the The American Society of Echocardiography (ASE) conference in 2017 (Ref 1-3) together with the release of Blood Speckle Imaging (BSI), the first commercially available version of the method, which is only qualitative. Two drafts for journal publications are now in production, one method paper on BST (including novel quantitative measures), and one paper on the energy loss parameter in normal vs volume loaded right ventricles. So far, we have included more than 200 children in our clinical studies, and in 2017 we also expanded to fetal and animal imaging. Based on our experiences and results so far, we have started to take the HFRUS imaging one-step further with more focus of quantitative measures like energy loss, vorticity and calculating pressure gradients. These novel quantification tools need to be developed, tested and validated in clinical practice. This work is now in progress. Furthermore, we wish to expand to 4D flow imaging and quantification in 2018. Finally, we plan to include mechanical wave imaging in our studies. This is a direct non-invasive and absolute measurement for myocardial stiffness, which relates to myocardial tissue characterization for assessing systolic and diastolic function. Due to morphologic variability, loading changes and higher heartrates, myocardial function is more challenging to assess in pediatric heart disease. HFRUS will be used for better quantification of functional characteristics. Mechanical wave imaging will be used to measure natural mechanical shear waves transmitted through the myocardium at different times throughout the cardiac cycle. We aim to develop and validate these novel parameters of systolic and diastolic function. Likewise, flow characterization is important in pediatric heart disease as flow determines structural growth and cardiovascular remodeling. We hope that these novel applications can increase our knowledge of both physiology and pathology in the developing normal and diseased hearts. References from ASE - 2017: 1. Mawad, W; Løvstakken, L; Fadnes, S; Mertens, L; Nyrnes, SA. Right ventricular flow dynamics in dilated right ventricles. Energy loss estimation based on blood speckle tracking echocardiography in children. Journal of the American Society of Echocardiography 2017; Volum 30.(6) s. B10- Oral presentation and published abstract. 2. Nyrnes, Siri Ann; Fadnes, Solveig; Mertens, Luc; Løvstakken, Lasse. Blood Speckle Tracking - New insight to Pediatric Cardiology? Session: «Frontiers in Pediatric cardiology», ASE 2017; 2017-06-02 - 2017-06-06 3. Mertens, L; Nyrnes, SA; Løvstakken, L. Blood Speckle Imaging - Initial experience in children. ASE 2017; 2017-06-02 - 2017-06-06
2016
Avansert ultralydteknologi utviklet av ultralydgruppen i Trondheim kan avbilde komplekse blodstrømsmønstre uten behov for kontrastmidler. Ved hjelp av et eget analyseprogram, kan nå også kvantitative mål fra blodstrøm beregnes. Vi har tro på at denne avanserte blodstrømsmetoden kan bedre diagnostikk og øke vår forståelse av medfødte hjertefeil.Etter mange års teknisk arbeid parallelt med klinisk datainnsamling i Trondheim, er metoden «Blood Speckle Tracking» utviklet. Metoden gir mulighet for å avbilde og analysere komplekse blodstrømsmønstre. Med denne teknikken avbildes for eksempel virveldannelser i blod som ikke er mulig å se med tradisjonell metode (farge-Doppler). Slike virvler spiller en fundamental rolle i normal fysiologi og gir normal balanse mellom blodets bevegelse og belastningen på omliggende vev. I motsatt fall vil unormale virvler kunne føre til uheldig påvirkning av omliggende vev og tap av energi. Delprosjekter: 1) Blodstrømsavbildning med høy billedrate hos nyfødte og barn med medfødt hjertefeil – pilotstudie. I dette prosjektet på Barne- og ungdomsklinikken, St Olavs er det inkludert pasienter med et bredt spekter av medfødte hjertefeil. Vi har pr januar 2017 inkludert 45 pasienter. Først med lineære prober (35 pas), videre også med tradisjonelle fasestyrte prober (siste 10 pas). Analyser pågår, og publikasjon med presentasjon av det kliniske materialet er planlagt sendt inn i 2017. Tre abstract med tilhørende konferanseartikler fra den tekniske utviklingen i dette prosjektet ble publisert i 2016. En artikkel som beskriver utviklingen fra lineære til fasestyrte prober for teknikken med tittel: “In vivo intracardiac vector velocity imaging using phased-array transducers for pediatric cardiology» ble innsendt i des 2016. 2) Kan nye ultralydteknikker gi bedret avbildning av fosterets hjerte og sirkulasjon? Delprosjekt i samarbeid med Nasjonalt senter for fostermedisin. REK-godkjenning er klar og datainnsamling starter i feb. 2017. Vi ønsker her å undersøke om økt informasjon om hvordan blodet strømmer kan lære oss mer om hvordan en medfødt hjertefeil utvikler seg. Som et pilotprosjekt skal først normale hjerter undersøkes omkring svangerskapslengde 20, 28 og 32 uker. 3) High framerate blood speckle tracking echocardiography in children with congenital heart disease. Prosjektet er et samarbeid mellom Barne- og Ungdomsklinikken, St. Olavs Hospital, Institutt for sirkulasjon og bildediagnostikk, NTNU, industri (GE Healthcare) og det barnekardiologiske miljøet ved SickKids Hospital i Toronto, Canada. Etter godkjenning i norsk og kanadisk etisk komite, startet datainnsamling ved SickKids og St. Olavs Hospital i desember 2015. Vi har fra desember 2015 og fram til januar 2017 inkludert 150 pasienter (110 kasus og 40 kontroller). Det skal inkluderes totalt 285 pasienter, og datainnsamling vil fortsette i 2017. De ulike pasientgruppene vi skal studere er (antall i parentes): Normale kontroller (80), Atrieseptumdefekter (40),Fallots tetrade (40) ,Dilatert kardiomyopati (20), Bikuspide aortaklaffer (50),Pulmonal hypertensjon (25) og Univentrikulære hjerter (30) Blodstrøm i normale hjerter og ved de nevne typer hjertefeil vil blir analysert ved hjelp av et eget dataprogram kalt Pyusview som er under fortsatt utvikling. Man vil via dette programmet for eksempel kunne måle virvel lokalisasjon, varighet og størrelse relatert til hjertets syklus. Vi vil kunne måle energitap og vortisitet. Vi vil også studere intra- og interobservervariabilitet. Vi har tro på at denne nye ultralydteknologien kan være et viktig bidrag til pediatrisk ekkokardiografi, forbedre diagnostikk og øke vår forståelse av medfødte hjertefeil.
2015
Å oppdage og forstå blodstrømsendringer ved hjertesykdom hos barn er viktig både for diagnostikk og for å følge sykdom over tid. En ny ultralydmetode kan avbilde og analysere komplekse blodstrømsmønstre uten behov for kontrastmidler og gi ny informasjon om blodstrømforandringer i hjertet. Metoden er utviklet av Ultralydgruppen i Trondheim.Blodstrømsmønstre i hjertet spiller en viktig rolle i hjertets utvikling og for hjertets funksjon, og de fleste medfødte hjertefeil presenterer seg med endret blodstrøm. Det er derfor økende interesse for å avbilde detaljer i blodstrømmen ved hjertesykdom, og dette er nå mulig ved hjelp av siste generasjons ultralydutstyr. I dette prosjektet vil vi studere den nye avanserte blodstrømsteknikken "Blood Speckle Tracking" ved ulike hjertefeil, se på forskjellene mellom hjertefeil og sammenligne med blodstrøm i normale hjerter. Ekkogene punkter som ligner små flekker, såkalte speckler, finnes i større eller mindre grad i alle ultralydopptak. Ved hjelp av en ny opptaksmetode kan billedraten (antall bilder som dannes pr sekund) økes betraktelig. Dette har gjort det mulig for datamaskinen å følge specklene i blodstrøms-ekkoet over tid, såkalt «speckle tracking». Ved å måle hvor specklene flytter seg mellom to enkeltbilder, kan man beregne blodstrømmens hastighet og retning. Dermed kan man nå både avbilde og måle hurtige forandringer i blodstrøm. Med denne teknikken avbildes for eksempel virveldannelser i blod som ikke er mulig å se med tradisjonell metode (fargedoppler). Slike virvler spiller en fundamental rolle i normal fysiologi og gir normal balanse mellom blodets bevegelse og belastningen på omliggende vev. I motsatt fall vil unormale virvler kunne føre til uheldig påvirkning av omliggende vev og tap av energi. Prosjektet er et aktivt tverrfaglig samarbeid mellom klinikk (Barne- og Ungdomsklinikken, St. Olavs Hospital), institutt (Institutt for sirkulasjon og bildediagnostikk, NTNU) og industri (GE Healthcare). I tillegg har vi inngått samarbeid med det barnekardiologiske miljøet ved SickKids Hospital i Toronto, Canada. Jeg tiltrådte forskerstillingen for å jobbe med prosjektet 21. september 2015 og jobber delt med en klinisk stilling som overlege i barnekardiologi. I studien vil vi sammenligne blodstrøm i normale hjerter (inklusjon ved St. Olav, Trondheim) og i kasus med ulike typer medfødt hjertefeil (inklusjon ved SickKids, Toronto). Etter en lengre planleggingsfase og godkjenning i norsk og kanadisk etisk komite, startet datainnsamling ved SickKids i desember 2015. I forbindelse med planlegging og studiestart hadde jeg hhv. en ukes (januar 2015) og to ukers (desember 2015) opphold på SickKids. Jeg vil videre ha regelmessige opphold framover under datainnsamlingen. Vi har fra desember 2015 inkludert 40 pasienter (30 kasus og 10 kontroller), og datainnsamling vil pågå i minst ett år framover. De ulike pasientgruppene vi skal studere er (antall i parentes): 1) Normale kontroller (80) 2) Atrieseptumdefekter (40) 3) Fallots tetrade (40) 4) Dilatert kardiomyopati (20) 5) Bikuspide aortaklaffer (50) 6) Pulmonal hypertensjon (25) 7) Univentrikulære hjerter (30) Blodstrøm i normale hjerter og ved de nevne typer hjertefeil vil blir analysert ved hjelp av et eget dataprogram som er under fortsatt utvikling. Man vil via dette programmet for eksempel kunne måle virvel lokalisasjon, lengde og størrelse relatert til hjertets syklus. Ulike observatører vil benytte programmet og vi vil også studere intra- og interobservervariabilitet. Vi har tro på at denne nye ultralydteknologien kan være det neste gjennombruddet for pediatrisk ekkokardiografi, og kan bedre diagnostikk og øke vår forståelse av medfødte hjertefeil.
Vitenskapelige artikler
Ødegård SS, Kahrs B, Lang AM, Nyrnes SA

Live born recipient of twin-twin transfusion syndrome with anomalous mitral arcade.

BMJ Case Rep 2019 May 29;12(5). Epub 2019 mai 29

PMID: 31147411

Nyrnes SA, Garnæs KK, Salvesen Ø, Timilsina AS, Moholdt T, Ingul CB

Cardiac function in newborns of obese women and the effect of exercise during pregnancy. A randomized controlled trial.

PLoS One 2018;13(6):e0197334. Epub 2018 jun 1

PMID: 29856768

Fadnes S, Wigen MS, Nyrnes SA, Lovstakken L

In Vivo Intracardiac Vector Flow Imaging Using Phased Array Transducers for Pediatric Cardiology.

IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 2017 Sep;64(9):1318-1326. Epub 2017 apr 24

PMID: 28436859

Fadnes S, Ekroll IK, Nyrnes SA, Torp H, Lovstakken L

Robust angle-independent blood velocity estimation based on dual-angle plane wave imaging.

IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 2015 Oct;62(10):1757-67.

PMID: 26470038

Høgenes, Jakob; Wigen, Morten Smedsrud; Nyrnes, Siri Ann; Segers, Patrick; Swillens, Abigail; Løvstakken, Lasse.

Model-based estimation of intra-cardiac blood flow velocities using an unscented Kalman filter.

IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings 2016 s. 1-4

Grønli, Thomas; Smistad, Erik; Nyrnes, Siri Ann; Gomez, Alberto; Løvstakken, Lasse.

Reconstruction of In Vivo Flow Velocity Fields Based On Utrasound Image Segmentation and B-spline Regularization.

Proceedings - IEEE Ultrasonics Symposium 2016 ;Volum 2016-November.

Fadnes, Solveig; Nyrnes, Siri Ann; Wigen, Morten Smedsrud; Tegnander, Eva; Løvstakken, Lasse.

Detailed flow visualization in fetal and neonatal hearts using 2-D speckle tracking.

IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings 2016 ;Volum 2016-November.

Deltagere
  • Kristian Sørensen Doktorgradsstipendiat
  • Mark Friedberg Prosjektdeltaker
  • Matthew Henry Prosjektdeltaker
  • Wadi Mawad Doktorgradsstipendiat
  • Luc Mertens Prosjektdeltaker
  • Hans Garman Torp Forskningsgruppeleder
  • Solveig Fadnes Prosjektdeltaker
  • Lasse Løvstakken Prosjektdeltaker
  • Siri Ann Nyrnes Prosjektleder
  • Mertens Luc Prosjektdeltaker

eRapport er utarbeidet av Sølvi Lerfald og Reidar Thorstensen, Regionalt kompetansesenter for klinisk forskning, Helse Vest RHF, og videreutvikles av de fire RHF-ene i fellesskap, med støtte fra Helse Vest IKT

Alle henvendelser rettes til Helse Midt-Norge RHF - Samarbeidsorganet og FFU

Personvern  -  Informasjonskapsler